長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復典型模式遙感監(jiān)測：以湖北省為例

孫婭琴，邸寶剛，安 娜，張 仙，邢 宇，冀雅琳，瞿永澤，嚴 明

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局廊坊自然資源綜合調(diào)查中心，河北 廊坊 065000)

長江是中華民族的生命河，是中國發(fā)展的重要支撐。長江經(jīng)濟帶覆蓋全國11個省(市)，面積約205萬km2，人口和經(jīng)濟總量均超全國的40%，綜合實力強，生態(tài)地位重要。長江經(jīng)濟帶礦產(chǎn)資源豐富，是我國重要的礦產(chǎn)資源支撐區(qū)域之一，黑色金屬、有色金屬、稀土、鋰等戰(zhàn)略新興礦產(chǎn)、磷礦、頁巖氣等在我國具有重要地位。據(jù)統(tǒng)計，長江經(jīng)濟帶鋰礦和磷礦儲量分別占全國的92%和86%，稀土占比超過60%。 2016年長江經(jīng)濟帶非油氣礦產(chǎn)礦石產(chǎn)量占全國的36.9%，其中，磷礦產(chǎn)量約占全國的97%，銻礦和鎢礦占比超過80%。目前，長江經(jīng)濟帶的發(fā)展仍面臨著諸多問題，長期過量、粗放、違規(guī)的礦產(chǎn)資源開發(fā)導致長江流域生態(tài)環(huán)境急劇退化，環(huán)境污染問題日益嚴重，生態(tài)環(huán)境狀況形勢嚴峻即為其中之一。2016年3月25日中共中央政治局審議通過了《長江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確提出要大力保護和修復長江生態(tài)環(huán)境，共抓大保護，不搞大開發(fā)[1-4]，因此，對長江經(jīng)濟帶進行生態(tài)保護和修復至關重要。

湖北省位于“長江之腰”，交通樞紐地位突出，自然資源豐富，是長江流域重要的水源涵養(yǎng)地和國家重要的生態(tài)屏障，生態(tài)安全地位舉足輕重，保護長江的責任重大、任務艱巨。湖北省礦產(chǎn)資源種類豐富，優(yōu)勢礦種明顯，其中磷礦已探明儲量位居全國前列。長期的礦產(chǎn)資源開發(fā)在帶來經(jīng)濟效益的同時也引發(fā)了一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題，如礦山地質(zhì)災害、地形地貌景觀破壞、地下水平衡系統(tǒng)破壞、環(huán)境污染、損毀土地和植被資源等[5-6]，亟待對大量的廢棄礦山進行生態(tài)修復。

根據(jù)2016—2018年遙感影像解譯成果，長江干流及主要支流兩岸各10 km范圍廢棄露天礦山遙感解譯圖斑共4 694處，面積共1.74萬hm2[7]。湖北省總磷和重金屬水土污染問題突出，礦山生態(tài)修復重點是廢渣治理、防治污染、恢復植被，同時注重對長江干流及主要支流沿線建材類非金屬廢棄露天礦山生態(tài)恢復和地形地貌景觀修復，確?？床灰姷V山“傷疤”。

根據(jù)遙感技術全天候、寬覆蓋、快速、高效的特點，對廢棄露天礦山生態(tài)修復工程進行多期次、全覆蓋遙感監(jiān)測，短期內(nèi)可獲得廢棄露天礦山的生態(tài)修復進展情況，在提高監(jiān)督監(jiān)管力度的同時節(jié)省了大量的人力和財力。本文使用國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)對湖北省長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復情況進行動態(tài)監(jiān)測，在摸清生態(tài)修復進展情況的同時，歸納總結(jié)了湖北省長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復典型模式，可為湖北省其他區(qū)域乃至全國開展廢棄露天礦山生態(tài)修復措施提供借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于長江中游，地跨秦嶺褶皺系和揚子準地臺兩大構造區(qū)，地質(zhì)構造復雜，元古代-新生代各時代地層發(fā)育齊全，巖漿活動頻繁。鐵、銅、金、銀、磷、石膏、鹽及建材類非金屬等礦產(chǎn)資源豐富。本文研究區(qū)位于湖北省長江干流及主要支流兩側(cè)各10 km范圍內(nèi)。長期的礦產(chǎn)資源開采破壞了地質(zhì)環(huán)境和地形地貌景觀，造成水土、大氣、固體廢棄物等環(huán)境污染，引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、采空塌陷等地質(zhì)災害，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境，影響了人們的生命安全[8-14]。近年來，湖北省高度重視礦山生態(tài)環(huán)境恢復治理，尤其在開展長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復工作以來，積極推進，全面推動長江經(jīng)濟帶生態(tài)保護與修復工作進行。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文使用2019—2021年度國產(chǎn)高分辨率遙感數(shù)據(jù)，如高分一號(GF-1)、高分二號(GF-2)、高分六號(GF-6)、資源三號(ZY-3)、北京二號(BJ-2)等，對湖北省長江經(jīng)濟帶干流及重要支流兩側(cè)各10 km范圍內(nèi)的廢棄露天礦山生態(tài)修復情況進行動態(tài)監(jiān)測，所用數(shù)據(jù)均經(jīng)過了輻射定標、大氣校正、正射校正、圖像融合等處理。 本文主要數(shù)據(jù)源參數(shù)見表1。

2 工作方法

本文以經(jīng)過預處理和圖像增強處理的多期次國產(chǎn)高分辨遙感數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)廢棄露天礦山生態(tài)修復特征建立解譯標志，使用計算機自動信息提取和人機交互解譯技術，對長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復情況進行遙感監(jiān)測。對監(jiān)測結(jié)果進行野外查證，修改并完善室內(nèi)解譯結(jié)果，得到最終的湖北省長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復遙感監(jiān)測成果。主要技術路線如圖1所示。

表1 主要數(shù)據(jù)源有效載荷參數(shù)Table 1 Primary data source payload parameters

圖1 主要技術路線圖Fig.1 Main technology roadmap

3 遙感監(jiān)測結(jié)果分析

湖北省長江干流及主要支流(漢江、清江)兩岸各10 km范圍內(nèi)共有廢棄露天礦山圖斑537處，待治理面積共2 225.19 hm2，涵蓋湖北省15個市(州)、39個縣(市、區(qū))。 通過2019—2021年遙感動態(tài)監(jiān)測及野外查證發(fā)現(xiàn)，湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山已治理面積為1 125.51 hm2，占待治理面積總和的50.58%；正在治理面積為642.53 hm2，占待治理面積總和的28.88%。截至2021年8月底，湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山總體治理效果良好(表2和圖2)。

表2 湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山治理情況Table 2 Treatment of abandoned open-pit mines in main stream and main tributaries of the Yangtze River in Hubei Province

圖2 湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山治理情況遙感監(jiān)測圖Fig.2 Remote sensing monitoring map of abandoned open-pit mines in main stream and main tributaries of the Yangtze River in Hubei Province

4 礦山生態(tài)修復典型模式分析

根據(jù)“一礦一策、因地制宜”原則，湖北省對長江干流及主要支流兩岸各10 km范圍內(nèi)的廢棄露天礦山進行了生態(tài)修復。通過遙感動態(tài)監(jiān)測和野外實地查看，可將湖北省長江經(jīng)濟帶露天廢棄礦山生態(tài)修復模式分為生態(tài)復綠模式、景觀再造模式、農(nóng)業(yè)用地模式、自然封育模式、綜合治理模式等5類。

1) 生態(tài)復綠模式。生態(tài)復綠模式是指通過巖土體平整、地質(zhì)體整形、植被修復等技術，對礦山開采產(chǎn)生的地貌景觀破壞、生態(tài)植被破壞、地質(zhì)災害等進行治理，主要治理措施有削坡、錨固、土地平整、灌排工程、修建擋土墻、土壤重構、植被重建等。植被以適宜地方環(huán)境的灌木、喬木、植草為主，如刺槐、白楊、馬尾松、紅葉石楠、構樹、野菊、狗尾草、鬼針草、小飛蓬、豬毛蒿等。湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山生態(tài)修復以此種模式為主。

圖3為原黃石市西塞石磊山碎石廠，采礦權于2017年過期，位于黃石市西塞山區(qū)黃家塆西南側(cè)，距長江干流約3 km。在2019年遙感影像上，礦山開采痕跡清晰可見，地貌景觀、植被破壞嚴重，遙感圖像影紋結(jié)構粗糙；在2020年遙感影像上，該礦山正在進行恢復治理，已完成削坡、土地平整等，圖像結(jié)構細膩，色調(diào)相對均一；從2021年遙感影像上可見該礦山已完成恢復治理，圖像結(jié)構均一。從野外照片上可見該廢棄礦山修復治理效果較好，植被長勢喜人，野外查證時坡面上的灌溉設備正在進行澆灌作業(yè)。

圖3 原西塞石磊山碎石廠生態(tài)修復前后遙感影像和修復后野外照片F(xiàn)ig.3 Remote sensing images before and after ecological restoration and field photos after restoration of Xisai Shilei Mountain Gravel Plant

2) 景觀再造模式。該模式應對于對景觀要求較高的地區(qū)，如靠近城鎮(zhèn)、主要道路、城鄉(xiāng)結(jié)合處等，通過創(chuàng)建生態(tài)景觀公園、游樂園、生態(tài)廊道等，配合城鄉(xiāng)建設，在實現(xiàn)生態(tài)修復的同時給周圍居民帶來休閑娛樂場所。

圖4為原橫林鎮(zhèn)橫林磚瓦廠，位于天門市橫林鎮(zhèn)友誼新村。從2019年遙感影像可見，該廢棄礦山修復前為礦渣、棄土、垃圾的堆場，挖損形成的坑塘、洼地等；2020年該廢棄礦山經(jīng)過了土地平整工程、田間道路工程、灌溉與排水工程、植被綠化工程等，實施了坑塘清淤、植草磚護坡、修建步道和健身場地、廢渣填埋、回填土方、修建坑塘和水閘、種植植被等措施，種植植被主要為白玉蘭、桂花、紅葉石楠、梔子花、杜鵑、欒樹等；從2021年遙感影像可見，原磚廠中轉(zhuǎn)場地處已修建為小型生態(tài)公園，可供附近居民休閑散步。

圖4 原橫林磚瓦廠生態(tài)修復前后遙感影像和修復后野外照片F(xiàn)ig.4 Remote sensing images before and after ecological restoration and field photos after restoration of the former Henglin Brick and Tile Factory

3) 農(nóng)業(yè)用地模式。本著因地制宜的原則，讓有限的土地能夠有效持續(xù)利用，根據(jù)地形地貌特征將廢棄露天礦山治理為農(nóng)業(yè)用地，耕種當?shù)貎?yōu)勢農(nóng)作物，恢復土地的生產(chǎn)活力。此模式可在對廢棄礦山進行生態(tài)修復的同時帶來經(jīng)濟效益，主要的修復措施包括土地平整、廢渣填埋、土壤修復、修建灌排系統(tǒng)等。

圖5為原天門市多祥鎮(zhèn)東號子村磚瓦用黏土礦，在2019年遙感影像上磚窯和曬磚廠仍清晰可見；2020年遙感影像上磚窯已被拆除，正在進行土地平整；2021年遙感影像上可見已恢復治理為耕地，種植有豆類、玉米等植被，田間道路明顯。此廢棄礦山主要開展的修復措施有廢渣填埋、土地翻整培肥、新建排水溝和田間道、復墾耕種、路邊種植桂花樹等。從實地照片上看，種植的農(nóng)作物長勢良好。

圖5 原東號子村磚瓦用黏土礦生態(tài)修復前后遙感影像和修復后野外照片F(xiàn)ig.5 Remote sensing images before and after ecological restoration and field photos after restoration of clay mine used for brick and tile in Donghaozi Village

4) 自然封育模式。位于人跡罕至的偏僻區(qū)域或生態(tài)脆弱地區(qū)的廢棄礦山，不宜大面積開展人工修復活動，可以自然恢復為主，對廢棄礦山進行自然封育，限制人類活動對其產(chǎn)生的影響，依靠自然的力量使生態(tài)環(huán)境逐步得到恢復。

圖6為原武穴市田鎮(zhèn)黃金塔石灰?guī)r礦區(qū)，在2019年遙感影像上廢棄礦山建筑和分選設備、廢棄采坑等仍可見；2020年對采坑底部部分地區(qū)進行了覆土，但并未進行平整，采面可見初步自然恢復跡象；從2021年遙感影像上可見采面自然恢復較好，圖像平整光滑，該廢棄礦山的生態(tài)修復以自然恢復為主。

圖6 原黃金塔石灰?guī)r礦區(qū)生態(tài)修復前后遙感影像和修復后野外照片F(xiàn)ig.6 Remote sensing images before and after ecological restoration and field photos after restoration of the former Huangjinta Limestone Mining Area

5) 綜合治理模式。綜合治理模式是在因地制宜、生態(tài)性的原則下，根據(jù)廢棄礦山所處位置、礦山特征，將多種生態(tài)修復模式科學結(jié)合為一體，對廢棄礦山進行綜合治理，使其在恢復生態(tài)環(huán)境的同時帶來經(jīng)濟效益和社會效益。

圖7為原湖北香溪化工有限公司鄧家沖采石場，采礦權于2017年過期。 在2019年遙感影像上，原礦山建筑完好，灰?guī)r開采痕跡明顯；從2020年影像上可見礦山建筑已拆除，部分區(qū)域進行了覆土平整；從2021年影像可見原開采面已完成削坡處理，道路和蓄水池進行了修整、硬化，但植被生長還不顯著。 該廢棄礦山進行生態(tài)修復的主要工程措施有減載工程、支攔擋工程、截排水工程、植被護坡工程、景觀改造工程，最終部分區(qū)域治理為了林地，部分區(qū)域治理為草地，部分面積較大的平坦區(qū)域復墾為耕地，種植了芝麻、南瓜等，礦山入口處治理為園林景觀供附近居民休閑娛樂，部分較陡立開采面保留巖層裸露樣，作為典型地層坡面地質(zhì)實訓基地供科學研究。現(xiàn)場查看綜合治理效果良好，植被長勢喜人，農(nóng)作物已豐收。

圖7 原鄧家沖采石場生態(tài)修復前后遙感影像和修復后野外照片F(xiàn)ig.7 Remote sensing images before and after ecological restoration and field photos after restoration of the former Dengjiachong Quarry

廢棄礦山生態(tài)修復需要基于原有生態(tài)系統(tǒng)功能和當前破壞程度因地制宜地開展。位于長江流域兩側(cè)或人類活動較多區(qū)域的廢棄礦山往往能產(chǎn)生明顯的視覺沖擊，多采用生態(tài)修復模式，通過巖土體平整、地質(zhì)體整形、植被修復等技術對廢棄礦山進行修復較快地達到恢復生態(tài)的目的，此類模式往往需要消耗較多的經(jīng)濟成本。在城鎮(zhèn)附近、自然景觀良好或擁有悠久礦業(yè)歷史的廢棄礦山可通過景觀再造模式修復為礦山公園、生態(tài)公園等，宣揚礦山文化，為居民提供休閑娛樂場所，在恢復生態(tài)的同時產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效益。農(nóng)業(yè)用地模式主要在平原區(qū)或交通便利區(qū)域，當?shù)V山開采前為農(nóng)業(yè)用地，開采后水土污染較輕，土壤肥力無明顯損失，水土保持能力較強，可充分利用土地資源將其修復為農(nóng)業(yè)用地，恢復土地生產(chǎn)力，種植當?shù)貎?yōu)勢作物，在較短時間內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)濟效益。自然封育模式主要針對位于人跡罕至或生態(tài)脆弱地區(qū)的廢棄礦山，在無人工干預或較少人工干預的情形下依靠自然的力量恢復礦區(qū)原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能。綜合治理模式是在因地制宜和生態(tài)性的原則下，結(jié)合多種生態(tài)修復模式對其進行分區(qū)治理，統(tǒng)籌兼顧礦山的自然地理環(huán)境、地形地貌、開采模式、開采礦種等特征，在恢復生態(tài)環(huán)境的同時產(chǎn)生經(jīng)濟效益和社會效益。總之，無論采用何種模式，都需要首先消除地質(zhì)災害隱患，保障安全；其次考慮將其治理為農(nóng)業(yè)用地，充分利用土地資源；最后是盡量通過自然的力量進行生態(tài)恢復，減少人工干預，節(jié)省經(jīng)濟成本。

5 結(jié) 論

本文使用多期次高分辨率遙感數(shù)據(jù)，對湖北省長江干流及主要支流兩側(cè)各10 km范圍內(nèi)的廢棄露天礦山生態(tài)修復情況進行了動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合野外查證，對其生態(tài)修復模式進行了分析研究，結(jié)果如下所述。

1) 截至2021年8月底，湖北省長江干流及主要支流廢棄露天礦山已治理面積為1 125.51 hm2，占待治理面積總和的50.58%；正在治理面積為642.53 hm2，占待治理面積總和的28.88%，總體治理效果良好。

2) 湖北省長江經(jīng)濟帶廢棄露天礦山生態(tài)修復模式主要可分為生態(tài)復綠模式、景觀再造模式、農(nóng)業(yè)用地模式、自然封育模式和綜合治理模式等5類，其中生態(tài)復綠模式應用最多。根據(jù)“一礦一策、因地制宜”的原則，多種生態(tài)修復模式并行，在恢復生態(tài)環(huán)境的同時產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，可為后續(xù)湖北全省乃至全國的廢棄露天礦山生態(tài)修復工作提供參考借鑒。

3) 使用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對廢棄露天礦山進行多期次動態(tài)監(jiān)測，可在獲得廢棄露天礦山生態(tài)修復情況的同時節(jié)省大量的人力、物力和財力。根據(jù)研究和應用目的，選擇合適的遙感數(shù)據(jù)組合，可在保證信息提取精度的同時滿足大范圍應用需求的時效性。